第4章 电压的测量与电子电压表

第四章电压测量与电子电压表本章要点：1.电压测量的重要性，对电压测量的要求和分类2.模拟式直流、交流电压的测量以及高频、脉冲、噪声电压的测量3.数字电压表组成原理、工作特性和分类4.积分式和比较式A/D转换器及数字多用表的组成原理与特点5.数字电压表的误差与干扰4.1概述4.1.1电压测量的重要性电压是电子测量的一个主要参数。电参量的基础：U=IRI=U/RR=U/IP=IU=U2/R=I2R电压的派生量，例如，调幅度，波形的非线性失真系数等等。在非电量测量中，大多数物理量（如温度、压力、振动、速度等）的传感器大多是电压作输出的。因此，电压测量是其它许多电参量、非电参数测量的基础。4.1.2对电压测量的基本要求（课本第1页）1.应有足够宽的电压测量范围nV→μV→mV→V→→kV2.应有足够宽的频率范围交流电压的频率范围约从几Hz到几百MHz，甚至达GHz量级。目前，模拟电压表可测量的频率范围要比数字表高得多。例如，92C型模拟射频电压表频率上限达1.2GHz，而DP100型数字多用表只能达25MHz。3.应有足够高的测量准确度准确度可达±(0.0005％Ux十0.0001％Um)，即可达10-6量级4.应有足够高的输入阻抗5.应具有高的抗干扰能力4.1.3电压测量仪器的分类（课本第1页）1.模拟式电压表指针式电压表：用磁电式电流表作为指示器模拟示波器：刻度比较2.数字式电压表经A/D将模拟信号转换为数字信号各有千秋模拟表----驾驶台仪表多，一目了然；高频电压表数字表----精度高，输入阻抗高，便于与计算机联接4.2模拟式直流电压的测量4.2.1三用表中的直流电流、电压测量1.表头：三用表中直流电流、电压通常由磁电式高灵敏度直流电流表作指示。直流电流表俗称表头，图4.1给出了动圈式电流表头结构的双视图。其工作原理是利用载流导体与磁场之间的作用来产生转动力矩，使导体框架转动而带动指针偏转，其偏转角度正比于通过线圈的被测电流。图4.1动圈式仪表的结构双视图游丝SNNSPPPPSK永久磁铁标尺指针软心铁K吸靴可动线圈K轴轴承游丝S指针游丝S可动线圈K轴承I=Kθ式中K由设计决定的恒量，它与线圈匝数、线圈面积、磁场强度及游丝扭转力矩有关。K值表示电流表偏转单位角度时所需通过的电流，K值越小，电流表越灵敏。这样就可以从指针所指角度位置来测电流。2．电流表量程扩展允许通过的最大电流值称为量程Im，如50μA、100μA。1mA等。由于电流线圈匝数很多，其内阻较大。设现有一表头，Im=50μA，r=3kΩ.现要测量500μA电流怎么办？要并联分流电阻RS以扩展量程。因两路端电压相等图4.2表头等效电路Im-+rB图4.3电流量程扩展50μA+Rs3KImIIsA-SmmRIIrI)(rnrIIrIIIRmmmS1111（4.1）式中n称电流量程扩大倍数，也称分流系数。3.直流电压测量用电流表头能否直接测量电压？能测，但测量的电压范围很小。如图4.4所示，在指针指示满刻度时，它两端的电压是：U图4.4用表头直接测电压50μAr3KIm1.5V6350103100.15mmUIrv即它所能测量的最大电压为0.15V。为了能测量较高的电压，需串联倍压电阻RP来扩展量程。rIURRrIUmPPm)(（4.2）RPrIm图4.5给出了三用表直流电压档量程扩展的原理电路图。图中除最小量程U0=Im×r外，又增加了U1、U2、U3三个量程。根据所需扩展的量程，不难算出3个倍压电阻值：图4.5直流电压表电路rR1R2R3U3U0U1U22.5v10v50v250vmmmIUURIUURrIUR/)(/)()/(23312211电压灵敏度“Ω/V”通常把电压表内阻RV与量程Um之比定义为电压表的电压灵敏度(每伏欧姆数Ω/V)：mmVVIURK1（4.4）“Ω/V”数越大，表明为使指针偏转同样角度所需驱动电流越小。“Ω/V”数一般标明在磁电式电压表表盘上，可依据它推算出不同量程时的电压表内阻，即mVVUKR（4.5）例如某电压表的“Ω／V”数为20kΩ／V，则5V量程和25V量程时电压表内阻分别为100kΩ和500kΩ。4.2.2直流电子电压表直流电子电压表通常是由磁电式表头加装跟随器（以提高输入阻抗）和直流放大器（以提高测量灵敏度）构成，当需要测量高直流电压时，输入端接入由高阻值电阻构成的分压电路。电子电压表组成框图如图4.7所示。图4.7电子电压表框图＋－R0U1KU2U3R1R3R2UxFET源极跟随器放大器RvμAUx＋－＋－ΔU＋－AI0IIFRFUf＋－μAUi分压器及跟随器FET图4.8集成运放电压表原理4.3交流电压的测量4.3.1交流电压的表征交流电压可以用峰值、平均值、有效值、波形系数以及波峰系数来表征。数学定义：均方根值物理定义：能量等效01()TutdtTtUUPUPtU峰值平均值直接平均为零；半波均值全波均值tU有效值U201()TutdtT图4.9交流电压的峰值u(t)u(t)tt00U0U0Um+（a）（b）－＋＋＋＋＋＋＋－－Up+Up_Um-UPPUm-ˆUUUm+－峰峰值峰值t00U全波平均值t012U正半波平均值t12U负半波平均值通常，在未特别注明时，平均值即指全波平均值而言。3.有效值若某一交流电压u（t）在一个周期内通过纯阻负载所产生的热量，与一个直流电压U在同样情况下产生的热量相等，则U的数值即为u(t)的有效值，U和u(t)的数学关系为TdttuTU02)(1（4.10）实际中，有效值是最广泛应用的参数。例如，电压表的读数除特殊情况外，几乎都是按正弦波有效值进行定度的。有效值获得广泛应用的原因，一方面是它直接反应出交流信号能量的大小，这对于研究功率、噪声、失真度、频谱纯度、能量转换等是十分重要的；另一方面，则是它具有十分简单的叠加性质，计算起来极为方便。4.波形因数交流电压的波形因数的定义为该电压的有效值与平均值之比，即UUKF（4.11）5.波峰因数交流电压的波峰因数的定义为该电压的峰值与其有效值之比，即UUKPP（4.12）414.1273.13正弦波三角波方波波形因数KF1.111.151波峰因数KP1AtAttA正弦波半波整流波AA707.0211.122414.122AAA318.057.122414.1211.122AA637.02AA707.02AAA波峰因数KP波形因数KF平均值U有效值U峰值波形名称全波整流波表4.1AA637.024.3.2交流电压的测量交流电压直流电压均值、峰值和有效值AC/DC1.均值电压表1)均值电压表的组成阻抗变换器可变量程衰减器平均值检波器宽带放大器微安表u(t)图4.11均值电压表的一般组成mV量级20Hz～10MHz均值表视频毫伏表放大―检波式2)均值检波器(课本第4页）均值检波器如下图1-7所示，无论哪种类型，均值检波器都要求电路的时间常数很小，所以检波后不接RC充放电回路，表头两端一般并一个小电容C，是为防止表头流过交流使表针抖动，以及消除表头动圈内阻产生的热损耗。以图1-7(c)电路为例，设被测电压为ui（t），四个二极管具有相同的正向电阻Rd，微安表内阻为Rm,于是二极管导通而流过微安表的正向平均电流为从上式1-4可以得到：流过表头的电流正比于被测电压的平均值，故表头可按电压定度。表头示值正比于被测电压的平均值而与波形无关。由于被测交流电压大多数为正弦电压，而且希望测量其有效值，所以表头都以正弦电压的有效值定度，即表头示值即为被测正弦电压的有效值。式中a为电压表读数(示值)；U为正弦电压有效值；kF为波形因数，对于正弦波全波检波器kF=1.11(半波检波器kF=2．22)。由于不同波形电压的kF值不同，故当用这类电压表测非正弦电压时，其示值a无直接的物理意义，只有把读数除以1.11后才是被测电压的全波平均值然后由被测电压的波形因数kF，按(1-5)式计算出该电压的有效值。灵敏度mdmdrRUIS212提高灵敏度，就应减小Rd和rm的值，为提高输入阻抗检波前要加放大器输入阻抗mdirRR282注：均值检波器的线性补偿（见课本5~7页）例4.l用平均值电压表测量一个三角波电压，读得测量值为10V，试求有效值为多少伏？解:对于均值表，读数~1.11U（4.17）先求出均值，再通过KF换算成有效值。三角波的均值为10.91091.11xUVV查表4.1，得三角波KF=l.15，故被测三角波的有效值为VVVUKUxFx4.1035.10915.13)波形误差因读数是按标准无失真正弦波有效值定度的，而实际正弦波和非正弦波则会有误差。定义：读数与实际有效值之间的相对误差为波形误差:W%100xWU（4.20）用均值电压表测量非正弦波电压时，其读数应作修正。0.9xFxFUKUK将上式代入（4.20）式，则有0.9(10.9)100%FWFKK求例4.1中波形误差：三角波KF=1.15%4%100)035.11(%100)9.01(FWK典型产品：TH2172型（见课本18~25页）DA16型：频率范围20Hz～2MHz，测量范围100μV～300V。最小量程lmV，误差±3%，输入电阻1.5MΩ。指针式万用表：交流电压测量档采用了半波均值检波器，并以正弦有效值刻度，由于它依据直接测量原理，且灵敏度低，因此，指针式万用表主要用于工频（50Hz）及要求不高的低频（一般为几到几十kHz以下）电压的测量中。TH2172500型2.峰值电压表峰值电压表的工作频率范围宽、输入阻抗较高，有较高的灵敏度，但存在非线性失真。1)峰值电压表组成峰值电压表，简称峰值表，属检波―放大式电子电压表，又称为超高频毫伏表。它由峰值检波器（置于机箱外探头中）、分压器、直流放大器和微安表等组成（置于电压表机箱中），如图4.13所示。图4.13峰值电压表峰值检波器直流放大器分压器电压表机箱探头2)峰值检波器Rsu(t)VDRLC+图4.14峰值检波器充放u(t)uctT最后输出的平均电压迫近峰值放充maxT放条件：3)刻度特性峰值电压表响应被测电压的峰值UP，读数α（峰值表的指示值）为0.7072PPPUKUUK——定度系数，2/2K对正弦波读数α就是有效值~~~2PxPPUUUK非正弦波读数α无物理意义，要通过：2PxU求出峰值，再由峰值因数KP求出有效值U例4.2用峰值电压表测量一个三角波电压，读得测量值为10V，试求有效值为多少伏？解：对于峰值表，读数乘以2在就等于被测电压的峰值。因此，三角波的峰值为VVUPx14.1410414.12由表4.1查得三角波3,PK故被测三角波的有效值为VVUUPxx2.8732.114.1434)波形误差由于峰值电压表的读数没有直接的物理意义，测量非正弦波时，如果不进行换算，将产生波形误差。其定义为%100UW（4.28）即%100)21()1(~PPPWKKK（4.29）对于例4.2%18%100)321()1(~PPWKK可见，用峰值表测量失真的正弦电压或非正弦电压时，若将读数当成输入电压的有效值，就会产生波形误差。而且，峰值电压表的波形失真较大。超高频毫伏表都是峰值电压表。典型产品DA－l型：频率范围10kHz～1000MHz，测量范围0.3mV～3V，误差优于±l%（3mV档）。HFJ—8型频率范围5kHz～300MHz，测量范围lmV～3V。HFJ一8A型频率范围5Hz～1GHz，测量范围lmV～3V，可扩展到300V。HFJ-8B3.有效值电压表（课本12页）以上均值表、峰值表测的不是有效值，只是按有效值读数，故实为伪有效值。而有效值电压表，直接获得有效值，是真有效值表。原理有效值的物理定义----热电偶式有效值的数学定义----